LED芯片制造設(shè)備現(xiàn)狀及其工藝介紹

　LED是技術(shù)引導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)，特別是技術(shù)與資本密集型的芯片制造業(yè)，需要高端的工藝設(shè)備提供支撐。但與半導(dǎo)體投資熱潮下的“瓶頸”類似，設(shè)備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)膨脹仍然存在著速度匹配的問(wèn)題，尤其是在高端設(shè)備領(lǐng)域，大部分設(shè)備仍然需要依賴進(jìn)口。進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格昂貴，采購(gòu)周期過(guò)長(zhǎng)，使中國(guó)的LED芯片制造行業(yè)急需本土設(shè)備的成長(zhǎng)和崛起。

　　一、上游外延片生長(zhǎng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀

　　LED產(chǎn)業(yè)鏈通常定義為上游外延片生長(zhǎng)、中游芯片制造和下游芯片封裝測(cè)試及應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。從上游到下游行業(yè)，進(jìn)入門檻逐步降低，其中LED產(chǎn)業(yè)鏈上游外延生長(zhǎng)技術(shù)含量最高，資本投入密度最大，是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最激烈、經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)最大的領(lǐng)域。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，外延生長(zhǎng)與芯片制造約占行業(yè)利潤(rùn)的70%，LED封裝約占10%～20%，而LED應(yīng)用大約也占10%~20%。

　　產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)使用的生產(chǎn)設(shè)備從技術(shù)到投資同樣遵循上述原則，在我國(guó)上游外延片生長(zhǎng)和中游芯片制造的60余家企業(yè)中，核心設(shè)備基本上為國(guó)外進(jìn)口，技術(shù)發(fā)展受制于人，且技術(shù)水平尚無(wú)法與國(guó)際主流廠商相比。這就意味著我國(guó)高端LED外延片、芯片的供應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，需大量進(jìn)口，從而大大制約了國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和盈利能力。

　　表1 LED產(chǎn)業(yè)鏈概況及關(guān)鍵設(shè)備介紹

上游外延生長(zhǎng)，由于外延膜層決定了最終LED光源的性能與質(zhì)量，是LED生產(chǎn)流程的核心，用于外延片生長(zhǎng)的MOCVD也因其技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜成為近年來(lái)最受矚目，全球市場(chǎng)壟斷最嚴(yán)重的設(shè)備。因此，該設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化受到了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的熱捧，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也啟動(dòng)了MOCVD的研發(fā)，但何時(shí)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還是個(gè)未知數(shù)。

　　此外，伴隨LED外延技術(shù)的不斷創(chuàng)新，特別是藍(lán)寶石襯底(PPS)加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，藍(lán)寶石襯底刻蝕設(shè)備也逐漸成為L(zhǎng)ED外延片制造技術(shù)核心關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，其工藝水平直接影響到成膜性能，越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。作為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體裝備業(yè)的新星，北方微電子借助多年從事半導(dǎo)體、太陽(yáng)能高端設(shè)備制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為L(zhǎng)ED生產(chǎn)領(lǐng)域的刻蝕應(yīng)用專門開發(fā)了ELEDETM330ICP刻蝕設(shè)備，并已成功實(shí)現(xiàn)了PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線上的應(yīng)用，這可以稱得上是LED生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化領(lǐng)域的突破，勢(shì)必對(duì)LED設(shè)備國(guó)產(chǎn)化起到推動(dòng)和帶頭作用。

　　二、中游芯片制造主要設(shè)備現(xiàn)狀

　　中游芯片制造用于根據(jù)LED的性能需求進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。主要設(shè)備主要包括刻蝕機(jī)、光刻機(jī)、蒸發(fā)臺(tái)、濺射臺(tái)、激光劃片機(jī)等。

　　1．刻蝕工藝及設(shè)備

　　刻蝕工藝在中游芯片制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用（見(jiàn)表2），而隨著圖形化襯底工藝被越來(lái)越多的LED企業(yè)認(rèn)可，對(duì)圖形化襯底的刻蝕需求也使ICP刻蝕機(jī)在整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)鏈中的比重大幅度提升。更大產(chǎn)能、更高性能的ICP刻蝕機(jī)成為L(zhǎng)ED主流企業(yè)的需求目標(biāo)，在產(chǎn)能方面要求刻蝕機(jī)的單批處理能力達(dá)到每盤20片以上，機(jī)臺(tái)具有更高的利用率和全自動(dòng)Cassette to Cassette的生產(chǎn)流程；由于單批處理數(shù)量增大，片間和批次間的均勻性控制更加嚴(yán)格；此外，更長(zhǎng)的維護(hù)周期和便捷的人機(jī)交互操作界面也是面向大生產(chǎn)線設(shè)備必備的條件。而北方微電子所開發(fā)的ELEDETM330刻蝕機(jī)，集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，用半導(dǎo)體刻蝕工藝更為精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求來(lái)實(shí)現(xiàn)LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝，完全滿足大生產(chǎn)線對(duì)干法刻蝕工藝的上述要求。

　　2.光刻工藝及設(shè)備

　　光刻工藝是指在晶片上涂布光阻溶液，經(jīng)曝光后在晶片上形成一定圖案的工藝。LED芯片生產(chǎn)中通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)在PSS工藝中形成刻蝕所需特定圖案掩模以及在芯片制造中制備電極。LED光刻工藝主要采用投影式光刻、接觸式光刻和納米壓印三種技術(shù)。接觸式光刻由于價(jià)格低，是目前應(yīng)用主流，但隨著PSS襯底普及，圖形尺寸精細(xì)化，投影式光刻逐漸成為主流。納米壓印由于不需光阻，工藝簡(jiǎn)單，綜合成本較低，但由于重復(fù)性較差，還處于研發(fā)階段。

　　表2 LED上中游刻蝕設(shè)備的應(yīng)用

　　國(guó)內(nèi)LED生產(chǎn)用接觸式光刻機(jī)主要依賴進(jìn)口，投影式光刻機(jī)多為二手半導(dǎo)體光刻機(jī)翻新。而鑒于國(guó)內(nèi)光刻設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和在翻新業(yè)務(wù)中取得的經(jīng)驗(yàn)積累，相信假以時(shí)日開發(fā)出國(guó)產(chǎn)的LED光刻設(shè)備的前景一片光明。納米壓印是通過(guò)模版熱壓的技術(shù)制備納米級(jí)圖形，在美國(guó)、臺(tái)灣等均有較深入的研究，工業(yè)化應(yīng)用還不成熟，但仍存在較大的應(yīng)用潛力。

　　3．蒸鍍工藝及設(shè)備

　　蒸鍍工藝是指在晶片表面鍍上一層或多層ITO透明電極和Cr、Ni、Pt、Au等金屬，一般將晶片置于高溫真空下，將熔化的金屬蒸著在晶片上。LED芯片生產(chǎn)中采用蒸鍍工藝在晶片上焊接電極并通過(guò)蒸鍍金屬加大晶片的電流導(dǎo)電面積。

　　蒸鍍臺(tái)按能量來(lái)源主要分為熱蒸鍍臺(tái)和電子束蒸鍍臺(tái)，鑒于作為電極的金屬熔點(diǎn)高，金屬附著力要求較高，LED行業(yè)普遍使用電子束蒸鍍機(jī)（Ebeam Evaporator）。目前國(guó)內(nèi)LED生產(chǎn)用蒸鍍臺(tái)目前仍以進(jìn)口為主。國(guó)內(nèi)雖然已掌握蒸鍍臺(tái)原理，并能自行制造實(shí)驗(yàn)室用蒸鍍臺(tái)，但由于自動(dòng)化程度、工藝重復(fù)性、均勻性等問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)入大生產(chǎn)線使用。鑒于LED電極沉積用蒸鍍臺(tái)相比半導(dǎo)體PVD設(shè)備難度較低這一情況，國(guó)內(nèi)具有半導(dǎo)體PVD設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備商，將有能力實(shí)現(xiàn)LED蒸鍍臺(tái)國(guó)產(chǎn)化。

　　4．PECVD工藝及設(shè)備

　　PECVD（等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）工藝是在完成外延工藝后，在晶片表面鍍上一層SiO2或SiNx，作為電極刻蝕需要的硬掩模，以增大掩模與GaN外延層的刻蝕選擇比，獲得更好的刻蝕剖面形貌。

　　目前LED主流使用PECVD一般為采用13.56MHz的平板式PECVD，在250~300℃左右溫度進(jìn)行成膜，一次成膜可達(dá)40多片（2寸襯底），國(guó)內(nèi)LED生產(chǎn)用PECVD目前仍以進(jìn)口為主。LED采用PECVD與傳統(tǒng)PECVD有相同的技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)仍在于溫度控制、等離子體技術(shù)、真空系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功晶硅太陽(yáng)能電池用平板PECVD設(shè)備，該設(shè)備與LED用PECVD設(shè)備有很大的相通性，經(jīng)過(guò)局部硬件改進(jìn)設(shè)計(jì)，比較容易實(shí)現(xiàn)LED用PECVD國(guó)產(chǎn)化。

　　三、下游封裝制造主要設(shè)備現(xiàn)狀

　　產(chǎn)業(yè)鏈下游為封裝測(cè)試以及應(yīng)用，是指將外引線連接到中游生產(chǎn)的LED芯片電極上，形成LED器件，再將這些器件應(yīng)用于制造LED大型顯示屏、LED背光源等最終產(chǎn)品的過(guò)程。在這一環(huán)節(jié)中使用的生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，并具備一定電子行業(yè)通用性，如固晶機(jī)、焊線機(jī)等。

　　此外，在各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，還要使用到多種膜層性能、參數(shù)的檢測(cè)設(shè)備，如X射線衍射、光致發(fā)光譜儀、霍爾效應(yīng)檢測(cè)儀、橢偏儀、透射電鏡、掃描電鏡、電阻測(cè)試儀等，但這些檢測(cè)設(shè)備大多數(shù)為電子行業(yè)通用設(shè)備，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)應(yīng)用已非常成熟。

　　LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為L(zhǎng)ED裝備帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間，為我國(guó)LED裝備的跨越式發(fā)展提供了前所未有的歷史機(jī)遇，隨著高亮度LED芯片市場(chǎng)需求的不斷攀升，作為其技術(shù)